by arminmtt arminmtt Yorum yapılmamış

Ortalama Stresin Paslanmaz Çelik 304L’nin Yorulma Çatlak Büyüme Davranışına Etkisi

Özet – Farmasötik ekipmandan nükleer reaktörlerde borulamaya ve depolamadan kimyasal ürünlere kadar birçok mühendislik uygulamasında paslanmaz çelik kullanılmıştır. Bu denemede, ostenitik paslanmaz çelik 304L’nin deneysel sonuçlarına dayanarak yorulma çatlağı büyümesinin simülasyonu, NASGRO mod yasaları kabul edildiğinde AFGROW kodu kullanılarak sunulmuştur. Bu örnekte, sabit genlikli yükleme altında delik örneğinde çift çatlak kullanılır ve ortalama stresin etkisi vurgulanmıştır. Sonuçlar, yorulma çatlağı büyüme hızının (FCGR) ve yorulma ömrünün, uygulanan maksimum yük ve delik boyutundan etkilendiğini göstermektedir. Bu materyal için Paris yasalarının bir eşdeğeri tahmin edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Yorulma Çatlağı, Paslanmaz Çelik, Ortalama Gerilme, Genlik Yüklemesi.

Mühendislik bileşenlerinin ve yapılarının malzemeleri genellikle pozitif ortalama stres ile döngüsel yüklemeye tabi tutulur. Yorulma çatlağı yayılımı, genellikle, gerilme şiddeti faktörü AK’nin genliği ile açıklanan LEFM (Doğrusal Elastik Kırılma Mekaniği) kavramlarının uygulanmasıyla analiz edilir. Yorulma çatlağı büyümesi çeşitli parametrelerden (metalurjik, çevresel, geometrik, yükleme … vb.) Etkilenmiştir. Yüksek mekanik özellikleri (kapasite direnci, yüksek güç, tokluk, yüksek korozyon direnci, sertlik ve darbe dayanımı) nedeniyle, paslanmaz çelikler kolayca değiştirilebilen malzemeler olarak kalmazlar. Düşman ortamda kullanılan östenitik paslanmaz çeliğin farklı dereceleri 301, 304, 304L, 316. Bu malzemeler birçok mühendislik uygulamasında (nükleer reaktörler, kimyasal ürünlerin depolanması vb.) Kullanılmıştır. Bu çalışmada incelenen malzeme 304L östenitik paslanmazdır. Birçok yazar, çalışılan çeliği farklı parametre etkileri [1-3] (termal, yorulma, sünme ve yorulma, kaynak, Yük geçmişi gibi) altında araştırmıştır. AISI 304L paslanmaz çelik kaynağı, Singh ve arkadaşları [4] tarafından deneysel olarak araştırılmıştır. Eşik gerilme yoğunluğu faktörünün yaklaşık 10 MPa.Sqrt (m) olduğu ve GMAW kaynak işlemi ile karşılaştırmalı olarak GTAW kaynak işlemi için Paris yasalarının (C, m) katsayılarının arttığı gösterilmiştir.
Yorulma çatlağı büyüme oranını etkileyen ana yükleme parametresi stres oranıdır [5]. Ortalama stresin etkisi bu parametre ile tanımlandı. Kalnaus ve arkadaşları [6], FCGR’de AL6XN adlı yeni paslanmaz çeliği, FCC östenitik yapılı süper östenitik bir paslanmaz çelik olarak sınıflandırmışlardır. Bu araştırmada, sabit genlikli deneylerden elde edilen sonuçlar, çatlak büyüme hızının R oranına duyarlılığını göstermektedir ve genlik yüklemesinin etkisi, düşük stres yoğunluğu faktöründe gösterilmiştir. Diğer çalışmalarda, aynı yazarlar [7] yakın zamanda stres oranı oranını, 304L paslanmaz çeliğin yorgunluk çatlak büyümesinde çentik boyutunun yuvarlak kompakt gerilim numunesi üzerinde bir çentik büyüklüğü etkisi yapmışlardır. Sonuçlar, malzemenin R oranına duyarlılık gösterdiğini göstermektedir. Çentikten çatlak büyümesinin erken aşaması, çoğunlukla çentik geometrisine değil, yükleme genliğinin değerine bağlıdır. Son zamanlarda, 304 östenitik paslanmaz çeliğin kırılma davranışı üzerinde düşük döngü yorulma etkisi Duyi Ye tarafından araştırılmıştır [8]. Düşük karbonlu östenitik paslanmaz çeliklerde 304L ve 316L’de yorgunluk çatlak büyümesi Yahiaoui ve Petrequin [9] tarafından araştırılmıştır. Aynı taleplerde (gerilme oranı, uygulanan yük), 316L çeliğinin 304L çeliğinden daha yüksek direnç gösterdiği gösterilmiştir. Numune kalınlığının çatlak ucu deformasyonu ve yorulma çatlak büyüme hızı (FCGR) üzerindeki etkisi 304L paslanmaz çelik üzerinde araştırılmıştır [10]. Sonuçlar, FCGR’nin kuvvetle numune kalınlığına bağlı olduğunu göstermiştir (kalınlık arttıkça, FCGR artmaktadır).
Bu girişimde, AFGROW kodu, AISI 304L östenitik paslanmaz çelikten yapılmış delikli düz plaka örneğinde çift geçişli çatlaktan çatlak büyümesini simüle etmek için kullanılır. Stres oranı (R) ve genlik yüklemesi ve delik efektlerinin çapı ile karakterize edilen ortalama stres sunulacaktır. Yorulma çatlağı büyüme analizi NASGRO modeli kullanılarak yapılmıştır.

II. Yorgun Çatlak Büyüme Davranışı

A. Paslanmaz Çelik Numunesi:
Bu çalışmada kullanılan malzeme L-T yönelimli haddelenmiş plakalar üzerinde elde edilen paslanmaz çelik 304L’dir (AFGROW veritabanı). Paslanmaz çelik 304L için temel mekanik özellikler Tablo 1 ‘dedir. Mod I’de yorulma çatlağı büyümesinin simülasyonu, Şekil 1’ de ilk çatlak a0 gösterildiğinde delikte çiftten çatlak olan sonlu plaka kullanmıştır.

Tablo: Paslanmaz Çelik 304L’nin Mekanik Özellikleri

σ0.2 (MPa) KIC (MPa.m0.5) E (GPa) v
275.79 219.77 206.84 0.33

AFGROW kodunda uygulanan çalışılan örnek için stres yoğunluğu faktörü birkaç parametreye bağlıdır ve aşağıda yazılmıştır:

Newman [11] tarafından önerilen geometri düzeltme faktörü, aşağıda ifade edilmiştir
(Denklem 2):
Yeri λ = /1 (1+ (a /r))
Figür 1- Sonlu Plaka Örneği (Delikte Çift Çatlak)

B. Yorulma Çatlak Büyüme Modeli:

NASA tarafından geliştirilen AFGROW kodu [12], yorulma çatlak büyümesinin simülasyonu için kullanılır. Faiz modeli, yorulma çatlak büyüme eğrilerinin toplamı göz önüne alındığında NASGRO modelidir. NASGRO modeli Denk. 3:

C, n, p, q parametreleri deneysel sonuçlardan ampirik olarak türetilir ve f çatlak kapanmasının katkısını sunar. AKth, stres-yoğunluk faktörü aralığının çatlak yayılma eşik değerini sunar. Sürekli genlik yüklemesi için, Newman [12] tarafından belirlenen f işlevi. Çalışılan materyaller için NASGRO modelinin parametreleri Tablo 2’de sunulmaktadır.

Tablo 2: Кırık Büyüme Modeli Parametreleri

Cnpq
1.1486*10 -11 30,250,25

SONUÇLAR VE TARTIŞMALAR

A- Ortalama Stres Etkisi

L-T yönelimindeki plaka numunesi, stres oranı ile karakterize edilen farklı ortalama stres ile sabit bir yüklemeye tabi tutuldu. Çatlak büyüme sınırı için Kmax başarısızlık kriterleri kabul edildi. Şekil 2, ortalama stresin (R oranı) 304L paslanmaz çeliğin yorulma çatlak büyümesi üzerindeki etkisini göstermiştir. Düşük ve yüksek stres yoğunluk faktörü AK aralığında bu materyal için ortalama stresin önemli bir etkisi gözlenmiştir. Da / dN’de belirli bir AK için ortalama stres (am) ile genel bir artış gözlenmiştir. Aynı etkiler diğer çalışmalarda da gözlenmiştir [13]. Paris bölgesinde, aynı FCGR eğimi gösterilmiştir. Ortalama stresin değişimi, aynı stres oranı için maksimum strese veya minimum strese göre değişir.

Figür: Ortalama stresin FCGR’ye etkisi (R oranı etkisi)

304L paslanmaz çeliğin büyüme hızı, Şekil 4’te sunulmuştur ve 316L ile karşılaştırılmıştır [14]. FCGR’da yüksek direnç farkı yoktur.

Figür 3: Ortalama Stresin FCGR’ye Etkisi (Genlik Yükleme Efekti)
Figür 4: İki Paslanmaz Çelikten (304L / 316L) FCGR’de Karşılaştırma

B. Delik Çapının Etkisi

Delik çapındaki değişiklik, yorgunluk ömrünü ve FCGR’yi önemli ölçüde etkiler. Delik çapının artmasının yorulma ömrü üzerine etkisi Şekil 5’de gösterilmektedir. 4 mm ile 8 mm arasındaki delik arasındaki fark 3,5 katıdır. Yorulma çatlağı büyüme direnci, ilk çatlakta, stres yoğunluğu faktörü ve FCGR’nin artmasıyla azalır (Şekil 6).

Figür 5: 304L paslanmaz çeliğin yorulma ömrünün evrimi (R = 0.25)
Figür 6: Çap delik etkisi altında FCGR’nin evrimi

SONUÇ

Bu çalışmada, delikli plaka örneğindeki çift geçişli çatlakta 304L paslanmazın yorulma çatlağı büyüme davranışı incelenmiştir. Ana sonuçlar aşağıda verilmiştir:

  • Yorulma çatlağı büyüme oranının gelişimi, stres oranı (R) ve maksimum genlik yükü varyasyonundaki ortalama stresten etkilenir.
  • Ortalama stresin (R oranı) artması, yorgunluk çatlak büyüme oranlarını arttırır.
  • Delik boyutunun artması, yorgunluk ömrünü azaltır.
  • Çalışılan malzemenin 316L paslanmaz çelik ile karşılaştırmalı olarak yüksek bir direnç direnci yoktur.

REFERANSLAR

[1] WS, Lin CF., “Impact properties and microstructure evolution of 304L stainless steel”. Mater SciEnggA 2001; A308:124-35.
[2] Kimura M., Yamaguchi K., Hayakawa M., Kobayashi K., Matsuoka S., Takeuchi E., “Fatigue fracture mechanism maps for a type 304 stainless steel”. Metall. Mat. Transf. A, vol. 35A, April 2004, p 1311.
[3] Maas E., Pineau A., “Creep crack growth behaviour of type 316L steel”. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 22, Issue 2, 1985, Pages 307¬325.
[4] Singh P. Johan, Guha B., Achar D.R.G., “Fatigue life prediction for stainless steel welded plate CCT geometry based on Lawrence’s local- stress approach”. EngngFail. Anal. 10, 655-665, 2003.
[5] M. Benachour, A. Hadjoui, M. Benguediab and N. Benachour. Stress ratio effect on fatigue behavior of aircraft aluminum Alloy 2024T351. MRS Proceedings, 1276, 7 doi:10.1557/PR0C-1276-7, (2010).
[6] Kalnaus S., Fan F., Jiang Y., Vasudevan A.K., “An experimental investigation on fatigue crack growth of AL6XN stainless steel”. Engineering Fracture Mechanics 75 (2008) 2002-2019.
[7] Kalnaus S., Fan F., Jiang Y., Vasudevan A.K., “An experimental investigation of fatigue crack growth of stainless steel 304L”. Int. Journal of Fatigue 31 (2009) 840-849.
[8] Duyi Ye, Yuandong Xu, Lei Xiao, Haibo Cha,. “Effects of low-cycle fatigue on static mechanical properties, microstructures and fracture behavior of 304 stainless steel”. Material Science and Engineering A, 527, n° 16-17 (2010), 4082-4102.
[9] Yahiaoui B., Petrequin P., “Étude de la propagation de fissures par fatigue dans des aciers inoxydables austénitiques à bas carbone du type 304L et 316L”.Rev. Phys. Appl. (Paris) Vol. 9(4), 1974. 683-690.
[10] Park HB, Lee BW., “Effect of specimen thickness on fatigue crack growth rate”. Nuclear Engng Des2000; 197:197-203.
[11] Newman, J.C., 1984, “A crack opening stress equation for fatigue crack growth”. International Journal of Fracture, 24(3), R131-135.
[12] Harter, J.A, “AFGROW users guide and technical manual: AFGROW for Windows 2K/XP”. Version 4.0011.14, Air Force Research Laboratory.

by arminmtt arminmtt Yorum yapılmamış

Östenitik Paslanmaz Çeliklerde Yorulma Çatlağının Yayılımının Yakın Eşiği

ÖZET: Bu yazıda, eşik değerine yakın bölgede ve orta oran aralığında yorulma çatlağı yayılımının, nükleer sanayide yaygın olarak kullanılan 304L ve 316L tipi iki östenitik paslanmaz çelik üzerinde yapılan bir çalışma ele alınmıştır. Amaç, hasar toleransı ile ilgili son endüstriyel güvenlik sorunlarına cevap vermek için yayılma yasalarını ve eşik seviyelerini yeniden değerlendirmektir. Oda sıcaklığında oluşturulan yayılma eğrileri, R = 0,1 ve 0,7’de 150 ° C ve 300 ° C’de yazılmıştır. Çatlak kapanmasının araştırılması, bu fenomenin eşik değerine yakın alanda ve R = 0,7’deki R = 0,1’de önemli bir katkısı olduğunu göstermiştir. Yayılma mekanizmaları, SEM gözlemleri vasıtasıyla gösterilmekte ve belgelenmektedir.

GİRİŞ
Nükleer santrallerde enerji üretimi endüstrilerinin iki ana kaygısı, güvenilirliğin geliştirilmesi ve yapıların işletme ömrünün uzatılmasıdır. Son yıllarda dikkat, bazı kritik yapı elemanlarının ısıl yorgunluğuna karşı dayanıma odaklanmıştır. Bu gibi bileşenlerin yorulma ömrünün tahmini için daha doğru bir araç geliştirilmesi, malzemelerin davranışları hakkında detaylı ve kesin bir bilgi gerektiriyordu. A316L ve A304L gibi östenitik çelikler, nükleer santrallerde (kazanlar, borular …) yaygın olarak kullanılır. Bu çalışmanın amacı, bu iki alaşımın çevre eşiğinden 300 ° C’ye kadar değişen sıcaklıklarda yakın eşikli çatlak yayılma davranışına dair endüstriyel bilgi eksikliğine cevap vermektir. Farklı deney koşullarında etkili yorulma çatlak büyümesi davranışı hakkında bilgi edinmek için yayılma testleri sırasında çatlak kapanma rolünün detaylı bir analizi yapılmıştır. Çatlak büyümesini kontrol eden mekanizmaların detaylı bir analizi için kırılma yüzey morfolojisinin mikro yapı, sıcaklık ve yük oranı (0,1 ve 0,7) açısından dikkatli bir şekilde incelenmesi yapılmıştır.

DENEYLER

Malzemeler lamine plakalardan sağlanmaktadır. Mekanik özellikler ve mikro yapılar sırasıyla tablo 1 ve şekil 1’de gösterilmiştir. Yorulma çatlağı büyüme deneyleri, LT oryantasyonunda (10 mm kalınlığında ve 40 mm genişliğinde) işlenmiş Kompakt Gerilim C (T) numunelerinde, ASTM Yorulma Çatlak Büyüme Hızlarının Ölçülmesine İlişkin Test Yöntemine (E 647-88) uygun olarak 500 ° C’ye kadar sıcaklık sağlayan bir fırına sahip servo-hidrolik makine kullanılarak gerçekleştirilir. 

TABLO – 1 Mekanik Özellikler

Materyal
Sıcaklık
Verim Stres
(MPa)
Nihai Stres
(MPa)
Uzama
%
304L2023157076
304L 15017743250,1
304L 30014240044,3
316L 2025357469,9
316L 15018546250,3
316L 30015443542,3
Şekil -1: 304L (a) ve 316L (b) Alaşımlarının Mikro Yapısı

Çatlak uzunlukları, DC (elektrik) potansiyel düşme tekniği kullanılarak izlenir. Örnekler sinüzoidal yüklemeye 35 Hz. sıklıkta gönderilir. Çatlak kapanması, kapasitif bir yer değiştirme göstergesi kullanılarak tespit edilir ve ofset uyum tekniği [1] ile belirlenir.

Oda Sıcaklığında Çatlak Yayılımı

Şekil 2a ve 2b’de, literatürden [2-6] sağlanan verilere kıyasla sırasıyla 304L ve 316L alaşımları için oda sıcaklığında oluşturulan çatlak yayılma eğrileri çizilmiştir.

Şekil- 2: Çatlak İlerleme Eğrileri da / dN – Sıcaklık ▲K İle Oda Sıcaklığında
304L (a) Ve 316L (b) Çelikler

304L için mevcut az sayıdaki veri, mevcut sonuçlara göre kabul edilebilir olup, 4 MPa √ m arasında değişen bir eşik göstermektedir. 316L için bu çalışma 3.3 MPa √ m’den Lindley ve diğerleri için 5.7 MPa √ m’ye kadar değişen bir eşik ile daha büyük bir saçılma gözlenir [6]. Amzallag ve ark. sonuçlar [5], deneysel prosedürün ve öncelikle normalize edilmiş ASTM K-gradyanı C = (1 / K) ‘nin güçlü etkisiyle açıklanabilen bu iki değer arasında düşmektedir. Bu çalışmada kullanılan -0,1 mm-1 değerine eşit veya daha düşük C değerlerinin kullanılması (ASTM’nin tavsiye ettiği C değerine – 0,08’e yakın), daha koruyucu eğriye ve alt eşik değerine ve sonuç olarak şiddetle tavsiye edilmelidir.

Her iki alaşımda oda sıcaklığında elde edilen deneysel sonuçlar, kapatma düzeltmesi olan ve olmayan R = 0.1 ve R = 0.7’deki veriler dâhil, şekil 3’te toplanmıştır.

Şekil – 3: Çatlak İlerleme eğrileri da / dN – ∆K ve da / dN – vs İçin oda sıcaklığında ∆Keff
316L ve 304L
Şekil – 4 : Yakın Eşikte Kırılma Yüzey Morfolojisi Aralık.

Aşağıdaki açıklamalar ifade edilebilir:

– Her bir R oranı için orta oran aralığında her iki çelik için benzer bir davranış;

– 304L (4,8 MPaV√ m) için R = 0,1’de, 316L (3,3 MPa √ m) ‘den daha yüksek bir eşik aralığı, daha çok yönlü kristalografik bir kırılma yüzeyiyle ilişkili olması (şekil 4);

– R oranının belirli bir ▲K aralığında büyüme oranı üzerinde zayıf bir etkisi;

Hem R oranında hem de çok benzer da / dN ve ▲Keff eğrilerinde çatlak kapanmasına büyük katkı.

– Mikro Fraktografik yüzey morfolojisi, A316L alaşımı için önceki gözlemlere uygundur [7].

Sıcaklık Etkisi

150 ° C ve 300 ° C’de elde edilen deneysel yayılma eğrileri, 304L alaşımı için şekil 5a ve 5b’deki oda sıcaklığında ve 316L alaşımı için şekil 6a ve 6b’deki ile karşılaştırılır. Ana eğilimler şunlardır:

  • İki alaşım arasındaki çatlak büyüme eğrilerinde çok az fark var ve eşik değerine yakın olsa bile her iki sıcaklıkta da R oranının önemli bir etkisi yoktur.
  • R oranı ne olursa olsun çatlak kapanmasına benzer katkı. Bu sonuç, bu iki çok yumuşak alaşımın tipik bir örneğidir ve yukarıda kapanmanın gerçekleşmeyeceği bazı Rcut değerinin [8] bulunmadığını gösterir.
  • Eşik aralığı 150 ° C’de, 300 ° C’de (hem alaşımlar hem de her iki R oranı için yaklaşık 6.6 MPa √ m civarında) karşılaştırılabilir, ancak oda sıcaklığındakinden daha yüksektir (şekil 4).
  • Her iki alaşım için etkili eşik aralığı (yani kapatma düzeltmesinden sonra) sıcaklığa karşı daha az hassastır ancak 150 ° C’de (yaklaşık 3 MPa √ m) oda sıcaklığında ve 300 ° C’de (yaklaşık 2 MPa √ m) biraz daha yüksek görünmektedir. Bu sonuçlar artan sıcaklıkla çatlak kapanmasının artan bir katkısını göstermektedir.
    Her iki alaşımdaki büyüme oranına göre yüzey morfolojisinin evrimini karşılaştırmak için kırılma yüzeylerinin SEM incelemesi yapılmıştır. Bazı çizimler, R = 0.1’de 150 ° C ve 300 ° C’de test edilen 304L alaşımı ve üç büyüme oranı aralığı için şekil 7’de verilmiştir. Eşiğin yakınında, oda sıcaklığında olduğu gibi çok kaba kristalografik yüzeyler, önemli bir katkı kapanmasına uygundur. Daha yüksek büyüme oranlarında gözlemlenen daha düz yüzeyler, mikroyapıya daha az duyarlı olan bir aşama II çatlamasına uygundur.

SONUÇ

304L ve 316L östenitik paslanmaz çeliklerde oda sıcaklığından 300 ° C’ye kadar değişen sıcaklıkta yorulma çatlağı yayılımına ilişkin bu çalışma, aşağıdaki ana çıkarımlara yol açmaktadır:

  • Hız aralığı ve sıcaklık ne olursa olsun iki alaşım arasında çok az bir fark vardır;
  • Stres şiddeti faktörünün eşik aralığı, R oranı ne olursa olsun sıcaklıkla artar;
  • Eşiğe yakın bölgedeki çatlak kapanmasının önemli bir katkısı, R oranı ne olursa olsun eşiğin yüksek seviyesini açıklar.
Şekil – 6: ıcaklığın Etkisi da/dN vs ∆K ve da/dN vs ∆Keff 304L de Eğrilikler R=0.1 (a) and R=0.7 (b).
Şekil – 7: Kırılma yüzeylerinin 150 ° C’de ve 300 ° C’de 304L’de karşılaştırılması
Şekil – 8 : Çatlak İlerleme Eğrileri da / dN – ∆K ve da / dN – ∆Keff
150 ° C’de (a) ve 300 ° C’de (b) 304L ve 316L Çelik Üzerinde

REFERANSLAR

  1. Sarrazin-Baudoux, C. Chabanne, Y. and Petit, J., (2000) Fatigue crack growth thresholds, endurance limits and design, ASTM-STP 1372, James C. Newman and Robert S. Piasick eds., American Society for Testing and Materials pub, 341.
  2. James, L.A. (1976) Atomic Energy Review 14, 86.
  3. Huthmann, H., Livesey, V.B. and Robert, G. (1996) Int. Jal. Ves. And Piping 65, 239.
  4. McEvily, A.J., Gonzalez, J.L. and Hallen, J.M.(1996) Scripta Mater. 6, 761.
  5. Lindley, T. C. and Richards, E. (1976) Engineering Application III, 1113.
  6. Amzallag, C. et al. (1981) Fatigue crack growth measurement and data analysis, ASTM S TP 738, S.J. Hudak, Jr. And R.J. Bucci, Eds, American Society for Testing and Materials pub., 44.
  7. Meny, L. (1976)Mécanismes de fissuration,Rapport CEA, D.TEC/ SRMA/GMAR.76.194.